Uncertainty estimation in Neural Networks (NNs) is vital in improving reliability and confidence in predictions, particularly in safety-critical applications. Bayesian Neural Networks (BayNNs) with Dropout as an approximation offer a systematic approach to quantifying uncertainty, but they inherently suffer from high hardware overhead in terms of power, memory, and computation. Thus, the applicability of BayNNs to edge devices with limited resources or to high-performance applications is challenging. Some of the inherent costs of BayNNs can be reduced by accelerating them in hardware on a Computation-In-Memory (CIM) architecture with spintronic memories and binarizing their parameters. However, numerous stochastic units are required to implement conventional dropout-based BayNN. In this paper, we propose the Scale Dropout, a novel regularization technique for Binary Neural Networks (BNNs), and Monte Carlo-Scale Dropout (MC-Scale Dropout)-based BayNNs for efficient uncertainty estimation. Our approach requires only one stochastic unit for the entire model, irrespective of the model size, leading to a highly scalable Bayesian NN. Furthermore, we introduce a novel Spintronic memory-based CIM architecture for the proposed BayNN that achieves more than $100\times$ energy savings compared to the state-of-the-art. We validated our method to show up to a $1\%$ improvement in predictive performance and superior uncertainty estimates compared to related works.


翻译:神经网络中的不确定性估计对于提高预测的可靠性和置信度至关重要,尤其是在安全关键型应用中。基于Dropout近似的贝叶斯神经网络提供了一种量化不确定性的系统方法,但其在功耗、内存和计算方面固有地存在较高的硬件开销。因此,贝叶斯神经网络在资源受限的边缘设备或高性能应用中的适用性具有挑战性。通过在基于自旋电子存储器存内计算架构上进行硬件加速并对其参数进行二值化,可以降低贝叶斯神经网络的固有成本。然而,实现传统的基于Dropout的贝叶斯神经网络需要大量随机单元。本文提出了一种名为Scale Dropout的新型二值神经网络正则化技术,以及基于蒙特卡洛-Scale Dropout的贝叶斯神经网络,用于高效的不确定性估计。我们的方法无论模型规模大小,仅需一个随机单元即可应用于整个模型,从而构建出高度可扩展的贝叶斯神经网络。此外,我们还为所提出的贝叶斯神经网络引入了一种基于自旋电子存储器的新型存内计算架构,与现有最先进技术相比,实现了超过100倍的能耗节省。实验验证表明,与相关工作相比,我们的方法在预测性能上提升高达1%,并具有更优的不确定性估计。

0
下载
关闭预览

相关内容

Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Deep Learning in Video Multi-Object Tracking: A Survey
Arxiv
58+阅读 · 2019年7月31日
VIP会员
最新内容
AgentOps综述:智能体系统运维框架
专知会员服务
0+阅读 · 今天15:30
《美陆军最新条令:兵力防护》
专知会员服务
2+阅读 · 今天14:43
《人工智能的挑战:算法战的想象与现实》
专知会员服务
3+阅读 · 今天14:26
首场人工智能战争:Maven如何重塑武装冲突
专知会员服务
3+阅读 · 今天14:12
《通往人工通用智能之路上的均衡策略》
专知会员服务
7+阅读 · 6月3日
《Palantir的科技生态系统》
专知会员服务
17+阅读 · 6月2日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员